黃志芳，李偉鑫，謝宋汕，李喆滔

（嘉應(yīng)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣東梅州 514015）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，很多具有一定危險(xiǎn)性的工作也逐步被智能化的設(shè)備所取代，如采煤行業(yè)中執(zhí)行安全隱患排查和生命探測的設(shè)備、在地形地貌較為復(fù)雜地區(qū)執(zhí)行特殊任務(wù)的探測小車、在具有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)執(zhí)行環(huán)境采集數(shù)據(jù)的無人機(jī)等[1-3]。上述的智能化設(shè)備在以上特殊場景中使用較為廣泛，然而無人機(jī)在一些樹木茂密、建筑物密集區(qū)域限制了其使用，此時(shí)需要靈活機(jī)動的多功能探測車，利用車上搭載的各種傳感器實(shí)現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測，搭載的高清攝像頭實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場畫面到終端[4-5]。與3G網(wǎng)絡(luò)通信相比，4G通信的速度成倍提升，基于低延時(shí)、高清圖傳、多功能、智能化的探測小車在電子消費(fèi)、工業(yè)應(yīng)用、特種搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景[6]。文中設(shè)計(jì)了一種以STM32F407ZGT6 和TM32F103CET6 為小車端和遙控端的核心處理器，小車端搭載DHT11 以及MQ2 采集溫濕度、空氣顆粒濃度等參數(shù)，通過NRF24L01 在遙控端和小車端傳輸數(shù)據(jù)，遙控端既能遠(yuǎn)程控制小車又能通過OLED屏幕上獲得環(huán)境數(shù)據(jù)。小車端使用Cortex-A7 處理器將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為rtmp 格式，F(xiàn)Fmpeg 編解碼器將rtmp 推流到搭建在阿里云平臺上的Nginx 流媒體服務(wù)器。用戶可在移動終端通過拉取流媒體服務(wù)器上的rtmp 數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場環(huán)境圖像。

1 整體方案設(shè)計(jì)

探測小車的整體是由智能小車終端和遠(yuǎn)程遙控端兩部分構(gòu)成。小車終端以STM32 作為處理器，搭載溫濕度檢測模塊，空氣質(zhì)量檢測模塊，無線收發(fā)模塊及USB 攝像頭，實(shí)時(shí)采集溫濕度、空氣質(zhì)量參數(shù)信息，通過無線收發(fā)模塊（NRF24L01）接收遙控端的指令信息，并向遙控端回傳溫濕度和空氣質(zhì)量參數(shù)信息。4G 模塊將通過開源軟件FFmpeg 將圖像數(shù)據(jù)壓縮后推流至流媒體服務(wù)器。遠(yuǎn)程遙控端同樣使用STM32 作為處理器，具有無線收發(fā)模塊、OLED 顯示屏、A/D 轉(zhuǎn)換搖桿按鍵等外設(shè)。OLED 實(shí)時(shí)顯示通過無線收發(fā)模塊接收到的溫濕度、空氣質(zhì)量參數(shù)信息，遙桿按鍵控制小車前進(jìn)后退以及攝像頭轉(zhuǎn)動。用戶可通過PC 端或APP 實(shí)時(shí)查看小車所處區(qū)域的畫面。

智能小車是由STM32 微處理器、DHT11 溫濕度模塊、可燃?xì)怏w檢測模塊、NRF24L01 無線傳輸模塊、180°舵機(jī)模塊、攝像頭模塊和L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊等7個(gè)模塊組成。STM32驅(qū)動NRF24L01接收遙控端的指令來控制L298N 電機(jī)，完成小車運(yùn)動狀態(tài)控制和舵機(jī)旋轉(zhuǎn)等操作。STM32 驅(qū)動DHT11 模塊和氣體檢測模塊，將采集到的溫濕度和空氣質(zhì)量參數(shù)信息傳送到遙控端，在Linux 開發(fā)板上通過FFmpeg 開源程序?qū)D像以rtmp 格式推送到流媒體服務(wù)器[7]，智能小車終端的硬件系統(tǒng)框圖和實(shí)物圖如圖1、圖2 所示。

圖1 小車端硬件系統(tǒng)圖

圖2 小車端實(shí)物圖

遙控終端是由STM32、電源管理芯片、5 V 微型電池、OLED 顯示模塊、NRF24L01 無線傳輸模塊、搖桿按鍵模塊6 部分組成，遙控端使用5 V 微型電池。工作時(shí)，單片機(jī)通過內(nèi)置的A/D 轉(zhuǎn)換模塊獲得遙感按鍵輸出模擬量[8]，通過NRF24L01 將指令發(fā)送至小車端，在OLED 上顯示溫濕度、空氣質(zhì)量參數(shù)信息，遙控終端的實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 遙控終端實(shí)物圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

在目前的單片機(jī)應(yīng)用市場，ARM 系列單片機(jī)因處理速度更快、搭配的資源更多，從而占據(jù)了單片機(jī)主流應(yīng)用市場[9]。小車端和遙控端的單片機(jī)選擇了STM32系列。遙控端的單片機(jī)選擇STM32F103CET6，小車端選擇STM32F407ZGT6，因?yàn)樾枰獙?shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)傳輸，圖像采集和處理數(shù)據(jù)較為龐大，所以選擇Cortex-A7 處理器完成圖像數(shù)據(jù)處理。

2.2 推流端和流媒體服務(wù)器

攝像頭采集的圖像原始數(shù)據(jù)巨大，需要對圖像信息進(jìn)行壓縮編碼。使用不同的編碼器得到不同的壓縮格式，如今比較主流的視頻編碼為H.264 編碼和MPEG-2 編碼[10]。推流端編解碼器中比較常用的是FFmpeg，它是一套非常成熟的開源代碼，支持絕大多數(shù)的編碼格式和流媒體協(xié)議，功能強(qiáng)大且資料非常齊全，所以選擇其為推流端編碼器[11]。

流媒體服務(wù)器的主要功能是以流式協(xié)議（RTO/RTSP、MMS、RTMP 等）將視頻文件傳輸至用戶端，用戶可以實(shí)時(shí)查看圖像，用戶實(shí)時(shí)查看的功能要求服務(wù)器必須做到外網(wǎng)與云平臺連接。阿里云是各項(xiàng)功能較為豐富的云平臺，流媒體服務(wù)器選擇購買云服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)下比較流行的Web 流媒體服務(wù)器有3種，分別是Apache、Nginx、Lighttpd。Lighttpd的穩(wěn)定性不足，Apache 對該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)壓力較大，所以選擇Nginx 流媒體服務(wù)器搭建于阿里云服務(wù)器上[12]。

2.3 通信模塊

通過4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，小車端和遙控端兩者之間通過NRF24L01 模塊來完成數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離在空曠環(huán)境下最大能達(dá)到1 000 m，滿足性能需求。NFR24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片，最低供電電壓為1.9 V，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為2 000 kbps，發(fā)送模式（0 dBm）和接收模式（2 000 kbps）狀態(tài)下的電流消耗分別為11.3 mA 和12.3 mA，使用的溫度范圍為-40～+85 ℃[13]。

2.4 DHT11溫濕度模塊

DHT11 數(shù)字傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。濕度測量范圍在20%RH～90%RH，溫度在0～50 ℃，在25 ℃下，溫度的誤差范圍在±2 ℃之間，濕度誤差在±5%RH 之間，具有感應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、性價(jià)比極高的優(yōu)點(diǎn)[14]。

2.5 小車端電路原理設(shè)計(jì)

小車的硬件系統(tǒng)包括STM32 系統(tǒng)板、12 V 轉(zhuǎn)5 V供電電路、L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊、兩對直流電機(jī)、無線收發(fā)模塊、溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器和180°轉(zhuǎn)向舵機(jī)。硬件SPI 驅(qū)動無線收發(fā)模塊接收指令，需連接到小車端單片機(jī)的特定引腳上，自帶的A/D 轉(zhuǎn)換獲取氣體檢測模塊的模擬輸出，單總線方式驅(qū)動DHT11傳感器獲取溫濕度信息，內(nèi)置的PWM 波產(chǎn)生器輸出周期為20 ms占空比不同的PWM，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動帶動攝像頭轉(zhuǎn)動[15]，小車端的電路原理圖如圖4所示。

圖4 小車端電路原理圖

2.6 遙控端電路原理設(shè)計(jì)

遙控端的硬件系統(tǒng)包括了STM32MCU 核心板、USB 充電口、5 V 微型電池、電源管理芯片、OLED、無線收發(fā)模塊和一對遙感按鍵。系統(tǒng)使用5 V 電池充電，為遙控手柄提供電源支持。使用遙感按鍵時(shí)，需將遙感按鍵的兩個(gè)模擬量輸出引腳接入遙控端單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換引腳，用來判斷遙感按鍵按下的狀態(tài)。系統(tǒng)通過SPI 驅(qū)動無線收發(fā)模塊，遙控端中的無線收發(fā)模塊需連接到單片機(jī)對應(yīng)的引腳上，通過模擬IIC 驅(qū)動OLED 屏幕顯示信息。遙控端的電路原理圖如圖5 所示。

圖5 遙控終端電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 小車端程序設(shè)計(jì)

小車端的總體程序設(shè)計(jì)可以分為5 個(gè)模塊程序，包括定時(shí)器初始化、DHT11 初始化、MQ2 初始化、無線模塊初始化以及無線模塊接收程序，主程序流程如圖6 所示。系統(tǒng)上電后開始進(jìn)行初始化，如配置單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊（讀取傳感器輸出的數(shù)據(jù)），配置I/O口的輸入、輸出和復(fù)用模式，配置硬件SPI 參數(shù)（驅(qū)動無線收發(fā)模塊）等[16]。小車端需要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，為了避免在兩種不同模式下頻繁切換，造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，NRF24L01 無線模塊配置為帶應(yīng)答確認(rèn)信號及有效載荷的接收模式。在主程序循環(huán)中，系統(tǒng)首先讀取傳感器的數(shù)據(jù)并處理，處理完成后，檢測是否有來自遙控端的無線收發(fā)模塊信息，如有就執(zhí)行相應(yīng)指令信息內(nèi)容，且因?yàn)樾≤嚩私邮盏叫畔⒑笮枰l(fā)送確認(rèn)收到信息給遙控端的無線模塊，則溫濕度等空氣質(zhì)量參數(shù)信息放入應(yīng)答信號的有效載荷中回傳給遙控端。

圖6 小車端程序流程圖

3.2 遙控終端程序設(shè)計(jì)

遙控端的總體程序設(shè)計(jì)分為9 個(gè)模塊，包括定時(shí)器初始化、NRF 初始化、ADC 初始化、按鍵初始化、OLED 初始化、掃描AD 值、按鍵檢測、NRF 發(fā)送程序和OLED屏顯示程序，主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后，程序開始對模塊進(jìn)行初始化，如配置使用I/O口模擬軟件（驅(qū)動OLED 屏幕），配置DMA 參數(shù)（方向、是否循環(huán)、每次搬運(yùn)字節(jié)大小）用來搬運(yùn)A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，暫存寄存器的值放入RAM 中數(shù)組中，并將系統(tǒng)中的無線收發(fā)模塊配置為應(yīng)答確認(rèn)信號及有效載荷的發(fā)送模式。在主程序循環(huán)中，讀取DMA 自動搬運(yùn)到數(shù)組中的A/D 轉(zhuǎn)換值，判斷遙感按鍵按下的方向，將對應(yīng)的指令通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到小車端。配置成帶應(yīng)答信號的發(fā)送模塊，需要接收小車端的應(yīng)答信號，在發(fā)送完成后將在OLED 屏上顯示讀取應(yīng)答信號中小車端發(fā)送的空氣質(zhì)量信息。

圖7 遙控終端程序流程圖

4 調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)上電后，將小車移動到離遙控端一定距離外，控制搖桿方向遠(yuǎn)程控制小車的運(yùn)動狀態(tài)，轉(zhuǎn)動舵機(jī)控制按鍵，舵機(jī)能按照指令帶動攝像頭完成轉(zhuǎn)動，并用手機(jī)播放器連接到阿里云服務(wù)器，查看車載攝像頭的實(shí)時(shí)傳輸回來的畫面，人為改變小車周邊溫濕度等環(huán)境參數(shù)，判斷溫濕度模塊工作是否正常，遙控端是否顯示對應(yīng)的溫濕度及變化。經(jīng)過一系列的調(diào)試后，遙控端能實(shí)現(xiàn)對小車和航機(jī)的控制，小車能夠檢測周圍環(huán)境的溫濕度、可燃?xì)怏w濃度，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸至遙控端的OLED 屏進(jìn)行顯示。運(yùn)行在Linux 上的推流程序?qū)tmp 推流到搭建在阿里云平臺上的流媒體服務(wù)器，通過PC 端或者移動端播放器拉取流媒體服務(wù)器的數(shù)據(jù)視頻流進(jìn)行播放，實(shí)時(shí)查看小車的圖像畫面，視頻時(shí)延控制在2.5s以內(nèi)。

5 結(jié)論

基于4G 的實(shí)時(shí)圖傳智能探測車的研究，達(dá)到了初期的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制、圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)墓δ?。通過搭載支持UVC 協(xié)議的USB 攝像頭，圖像數(shù)據(jù)信息通過4G 推送到阿里云服務(wù)器上，使得公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能對流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行拉流，即圖像支持的傳輸距離非常遠(yuǎn)，突破了距離的限制，支持多用戶同時(shí)訪問?；?G 的實(shí)時(shí)圖傳智能探測車能夠代替人工監(jiān)測，應(yīng)用于煤炭生產(chǎn)、探測、救援、排雷等相關(guān)行業(yè)，具有較為廣泛的研究和應(yīng)用價(jià)值。